三峽庫(kù)區(qū)神農(nóng)溪段消落帶巖體劣化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

王 燦，田 酬，劉 波，柳宇凱

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434000； 2.巴東縣沿渡河國(guó)土資源所,湖北 巴東 444300； 3.湖北省自然災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)中心，湖北 武漢 430064)

自2003年5月三峽庫(kù)區(qū)蓄水以來(lái),三峽水庫(kù)共經(jīng)歷了三次大幅蓄水過(guò)程,分別為2003年6月135 m水位,2006年156 m水位和2008年175 m水位,后壩前水位在145～175 m間波動(dòng)[1]。庫(kù)水位每年在175～145 m之間周期性波動(dòng)的作用下,形成了最大30 m高差的消落帶區(qū)。

庫(kù)區(qū)兩岸斜坡多次發(fā)生新生地質(zhì)災(zāi)害事件,據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩側(cè)斜坡消落帶劣化現(xiàn)象明顯形成劣化帶,對(duì)新增及復(fù)活的地質(zhì)災(zāi)害存在著重要的影響。本文以三峽庫(kù)區(qū)神農(nóng)溪段為例根據(jù)兩岸斜坡消落帶的劣化現(xiàn)狀調(diào)查及相關(guān)干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,探討分析三峽庫(kù)區(qū)斜坡劣化帶對(duì)蓄水以來(lái)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

神農(nóng)溪為三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江干流左側(cè)一支流,庫(kù)區(qū)涉及河流長(zhǎng)度約26 km,地貌主要為峽谷地貌,兩岸坡度均較陡,微地貌主要為近垂直的陡崖和陡坡兩大類。

每年3月—4月為三峽庫(kù)水位緩慢消落階段,5月—6月為庫(kù)水位快速消落階段,7月—8月為汛期,9月—10月為蓄水階段,11月—次年2月為庫(kù)水位175 m高水位運(yùn)行期。消落帶受庫(kù)水位漲落沖蝕影響,使得表層覆土剝離基巖出露。通過(guò)調(diào)查可見(jiàn)神農(nóng)溪兩岸巖性主要為碎屑巖與碳酸鹽巖兩大類。碎屑巖以三疊系巴東組紫紅色泥質(zhì)砂巖為主；碳酸鹽巖以三疊系嘉陵江組和大冶組的灰?guī)r為主。

2 消落帶巖體劣化特征

目前三峽庫(kù)區(qū)蓄水運(yùn)行至今已15年有余,根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)神農(nóng)溪流域的調(diào)查得知最高水位線與最低水位線之間形成高差30 m的消落帶。消落帶因庫(kù)區(qū)水位漲落沖蝕基巖裸露,與消落帶上部巖體對(duì)比具有肉眼可分辨的明顯差異性。消落帶的劣化現(xiàn)象根據(jù)巖性劃分主要分為碳酸鹽巖和碎屑巖兩大類,劣化特征表現(xiàn)形式為如下三種。

2.1 節(jié)理裂隙

在庫(kù)水位漲落造成的干濕循環(huán)的物理侵蝕作用以及碳酸鹽巖的溶蝕作用下,消落帶出露巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度要強(qiáng)于上部自然風(fēng)化下的巖體。消落帶在裂隙的規(guī)模上,如裂隙長(zhǎng)度、深度和寬度上對(duì)比175 m水位以上巖體均有一定的增大,同時(shí)在裂隙發(fā)育的密度上也要高于175 m水位以上的巖體裂隙發(fā)育密度。據(jù)前期學(xué)者調(diào)查可知，消落帶巖體裂隙發(fā)育程度約為175 m水位以上的10倍[2]，并且溶蝕、潛蝕現(xiàn)象有明顯的增大。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行分析對(duì)比,可以清晰觀測(cè)出消落帶劣化后與其上部巖體的節(jié)理裂隙風(fēng)化差異(見(jiàn)照片1)。

照片1 消落帶劣化后和上部巖體裂隙發(fā)育對(duì)比Photo 1 Comparison of fracture development in the upper rock mass after the degradation of the extinction zone

碳酸鹽巖的裂隙主要受溶蝕影響,在溶蝕作用下形成溶溝、溶槽,多見(jiàn)長(zhǎng)度>1 m、且寬度>2 m的溶槽。碎屑巖主要受潛蝕影響,在干濕循環(huán)下形成表層裂隙,在庫(kù)水潛蝕作用下裂隙面遇水軟化的顆粒被帶走,裂隙逐步加深、擴(kuò)大,切割巖體,碎屑巖區(qū)裂隙多呈密集網(wǎng)紋狀發(fā)育,長(zhǎng)度多為0.1～0.5 m,深度多<0.1 m,密度較大,5～8條/m。

2.2 沖蝕凹巖腔

消落帶巖體破碎軟弱且含有部分軟弱夾層,在受到水位漲落沖蝕掏蝕作用下,通過(guò)流水沖力侵蝕、地下水流潛蝕或攜沙水體磨蝕等機(jī)械力侵蝕,形成了凹巖腔。據(jù)調(diào)查消落帶內(nèi)凹巖腔發(fā)育明顯,規(guī)?？梢?jiàn)長(zhǎng)度多在10 m以上,寬度多>1 m，可見(jiàn)深度最大>1 m(見(jiàn)照片2)。

照片2 消落帶巖體劣化形成的凹巖腔Photo 2 Concave rock cavity formed by rock mass degradation in the depression zone

該現(xiàn)象主要發(fā)育在碳酸鹽巖中,而碎屑巖在凹巖腔形成的初期,因巖體抗風(fēng)化能力較弱,且遇水易軟化,便發(fā)生了崩塌剝落現(xiàn)象,無(wú)法形成完整規(guī)模的凹巖腔現(xiàn)象。

2.3 表層剝落

表層剝落的現(xiàn)象一般多見(jiàn)于碎屑巖類巴東組紫紅色泥質(zhì)粉砂巖地層中。剝落物形狀呈不規(guī)則狀。消落帶劣化后巖體表層剝落通常是沿著密集的劈理面和微層理面剝落。成因主要是由于庫(kù)水上升之后,消落帶巖體被庫(kù)水長(zhǎng)期浸泡并且?guī)缀踹_(dá)到飽和狀態(tài)；而庫(kù)水下降之后,消落帶巖體所處環(huán)境的溫度和濕度都發(fā)生了很大的變化,并且在庫(kù)水位漲落時(shí),水動(dòng)力變化對(duì)消落帶巖體的穩(wěn)定性有不利的影響,造成表層巖體的剝落。因此,在消落帶的巖體表層剝落現(xiàn)象比其上部不受庫(kù)水影響的巖體更為嚴(yán)重(見(jiàn)照片3)。

照片3 消落帶劣化后巖體表層剝落Photo 3 Surface spalling of rock mass after attenuation zone degradation

3 消落帶巖體劣化發(fā)育趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

消落帶巖體劣化的形成主要是因?yàn)閹?kù)水位在漲落時(shí),消落帶巖土體在庫(kù)水周期性升降的作用下處于一種“干燥—浸濕”的循環(huán)狀態(tài),這種干濕循環(huán)作用將造成巖土體強(qiáng)度的劣化。所以可以通過(guò)模擬這種干濕循環(huán)的狀態(tài)做室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)分析巖體劣化的趨勢(shì)。前人多位學(xué)者做過(guò)此類實(shí)驗(yàn),并取得了一定成果,本文針對(duì)神農(nóng)溪范圍內(nèi)的巖性特征分為碳酸鹽巖和碎屑巖兩類對(duì)前人資料進(jìn)行選取和引用分析,預(yù)測(cè)消落帶巖體劣化的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 碳酸鹽巖

對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行干濕循環(huán)巖石力學(xué)性質(zhì)劣化的研究,目前有朱珩[3]測(cè)試?yán)妙A(yù)應(yīng)力約束過(guò)的泥質(zhì)白云巖巖樣干濕循環(huán)后的巖體力學(xué)性質(zhì),其結(jié)果是抗壓強(qiáng)度平均下降率約為2.6%?？箟簭?qiáng)度、變形參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)N的衰減規(guī)律以二元一次方程擬合較為合理。還有王偉等[4]以錦屏水庫(kù)岸坡的大理巖為研究對(duì)象,開(kāi)展干濕循環(huán)后巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),其結(jié)果是抗剪強(qiáng)度參數(shù)每次循環(huán)的下降率為 0.3%～0.7%,其彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)N的衰減以指數(shù)函數(shù)擬合較為合理。對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)的碳酸鹽巖干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn),黃波林[5]等在巫峽青石采集三疊系嘉陵江組中厚層灰?guī)r制作巖芯試樣用以研究,所得抗壓強(qiáng)度平均每循環(huán)的下降率與王偉等所得較類似,與朱珩相差較大,其原因可能與其實(shí)驗(yàn)早期的預(yù)應(yīng)力約束有關(guān)。但最后得到了碳酸鹽巖的干濕循環(huán)劣化幅度指數(shù)是增大的,其劣化機(jī)理非常復(fù)雜,主要為結(jié)構(gòu)面填充物的溶蝕或潛蝕[6]和溫差導(dǎo)致硬質(zhì)巖體裂縫擴(kuò)展與新生[7]。

3.2 碎屑巖

神農(nóng)溪庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的碎屑巖岸坡主要為巴東組泥質(zhì)粉砂巖。前人針對(duì)紅砂巖等軟巖做過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),庫(kù)區(qū)內(nèi)巴東組泥質(zhì)粉砂巖可以對(duì)此有一定的借鑒。通過(guò)張振華[8]等人對(duì)水庫(kù)運(yùn)行期岸坡消落帶紅砂巖抗拉強(qiáng)度劣化機(jī)理分析,可知在水壓力和“濕干”交替共同作用的過(guò)程中,紅砂巖的抗拉強(qiáng)度隨著“濕干”交替作用次數(shù)的增加逐漸劣化，劣化幅度逐漸減小最終趨于零。而簡(jiǎn)文星等人對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶巴東組軟巖抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理分析研究,得到巴東組軟巖初期干濕循環(huán)時(shí)抗剪強(qiáng)度發(fā)生嚴(yán)重劣化；軟巖抗剪強(qiáng)度的劣化是由于蒙脫石遇水膨脹和巖石中裂隙吸附水分產(chǎn)生楔裂壓力的發(fā)展造成的這一劣化機(jī)理。

通過(guò)前人學(xué)者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果對(duì)比神農(nóng)溪庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)巖性特征可知：碳酸鹽巖的劣化機(jī)理主要為溶蝕、潛蝕和溫差變化,其發(fā)育趨勢(shì)是隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而成指數(shù)式增大；碎屑巖的劣化機(jī)理主要是內(nèi)部礦物質(zhì)遇水膨脹和楔裂壓力,其發(fā)育趨勢(shì)隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而成對(duì)數(shù)式增大?？紤]到庫(kù)區(qū)的運(yùn)行具有長(zhǎng)期性,因此劣化因素更為復(fù)雜,水化學(xué)作用、水壓力變化以及水動(dòng)力作用等均對(duì)劣化發(fā)育有著一定的影響。因此劣化帶的實(shí)際發(fā)育相對(duì)于室內(nèi)干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言,其劣化程度和速率要大于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育趨勢(shì)

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析,神農(nóng)溪流域庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有滑坡、崩塌和泥石流127處,其中滑坡大多分布在碎屑巖區(qū),崩塌分布在碳酸鹽巖區(qū),一處泥石流為早期泥石流，位于碎屑巖區(qū),近年未發(fā)生變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài),本次分析不將泥石流考慮在內(nèi)。

2003年三峽庫(kù)區(qū)開(kāi)始蓄水后,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育進(jìn)入多發(fā)期,除新增的地質(zhì)災(zāi)害外還有部分蓄水前的地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)復(fù)活現(xiàn)象。根據(jù)往年監(jiān)測(cè)資料可知，神農(nóng)溪庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的始發(fā)及變形頻率主要集中在2003年、2006—2008年、2014年至今三個(gè)時(shí)間段,其地質(zhì)災(zāi)害的變形較活躍。前期其原因主要為水庫(kù)波動(dòng)及大氣降雨兩個(gè)因素,與水庫(kù)的蓄水階段、氣象資料的變化基本吻合。而變形活躍的時(shí)間段在2014年至今,地質(zhì)災(zāi)害的變形頻率逐步增加,推測(cè)與消落帶的劣化有著一定關(guān)系。通過(guò)前文分析可知，劣化程度的增加對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生變形的影響權(quán)重將會(huì)越來(lái)越大,其表現(xiàn)為2018年調(diào)查發(fā)現(xiàn)劣化帶范圍內(nèi)新增大量危巖體,偶有碎石崩落的現(xiàn)象發(fā)生(見(jiàn)照片4),且涉水滑坡變形加劇,存在復(fù)活跡象。

照片4 消落帶巖體劣化后新增危巖Photo 4 New dangerous rock mass after rock mass degradation in the falling zone

4 消落帶巖體劣化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

隨著庫(kù)區(qū)的運(yùn)行,消落帶巖體劣化的發(fā)育程度越來(lái)越大,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響也愈發(fā)嚴(yán)重。通過(guò)神農(nóng)溪庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的調(diào)查,分析消落帶巖體劣化的發(fā)育對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響,研究其致災(zāi)機(jī)理,對(duì)以后庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作有著重要的指導(dǎo)和幫助。在成災(zāi)模式上,調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分為滑坡和崩塌兩大類。其具體的成災(zāi)機(jī)理分析如下。

4.1 滑坡

滑坡主要分布在碎屑巖區(qū),巖性多為泥質(zhì)粉砂巖,巖質(zhì)較軟,地形多為陡坡地貌,前緣大多涉水。劣化帶的發(fā)育往往造成了坡角處巖體的碎裂及表層剝落。根據(jù)簡(jiǎn)文星在三峽庫(kù)區(qū)消落帶巴東組軟巖抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理[9]與周寶璐的干濕循環(huán)巖體強(qiáng)度劣化效應(yīng)及邊坡穩(wěn)定性分析[10]等文獻(xiàn)的干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,隨著水庫(kù)的運(yùn)行,消落帶軟巖區(qū)的巖體粘聚力不斷下降,對(duì)紅粘土的干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)證明，8次干濕循環(huán)后粘聚力降為天然狀態(tài)下的57%,內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅度的增大,約7%,巖石總體上抗破壞能力變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)表層的剝落造成了地形的改變、坡腳變陡,為滑坡形成提供了良好的臨空面。消落帶巖體劣化誘發(fā)的滑坡為牽引式滑坡。

4.2 崩塌

崩塌主要分布在碳酸鹽巖區(qū),巖性多為灰?guī)r,巖質(zhì)堅(jiān)硬,地形多為近垂直的陡崖地貌。其形成機(jī)理有3種：①消落帶巖體在庫(kù)區(qū)水位漲落水動(dòng)力作用及干濕循環(huán)作用下,巖體完整性變差,巖體力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低,劣化程度逐步增大,最終導(dǎo)致消落帶巖體破碎或順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形,進(jìn)而引起上部巖體發(fā)生滑移形成滑移式崩塌；②消落帶巖體破碎軟弱,受水位漲落影響形成凹巖腔,導(dǎo)致危巖下部懸空,凹巖腔或下部巖體破碎崩落或掏蝕后形成的懸空處發(fā)生墜落式崩塌；③隨著消落帶巖體劣化的發(fā)育及變形形成軟弱基座,上部危巖體與母巖分離后重心逐漸外傾,危巖體沿某一支點(diǎn)向臨空方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)性傾倒,形成傾倒式崩塌。

5 結(jié)論

(1) 對(duì)三峽庫(kù)區(qū)神農(nóng)溪范圍內(nèi)的消落帶進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)研,發(fā)現(xiàn)在庫(kù)水位周期性升降的影響下,消落帶巖體劣化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

(2) 針對(duì)區(qū)域內(nèi)的巖性特征分別對(duì)碳酸鹽巖和碎屑巖進(jìn)行了干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為碳酸鹽巖的劣化趨勢(shì)成指數(shù)式增大,其機(jī)理主要為溶蝕、潛蝕和溫差；碎屑巖的劣化趨勢(shì)成對(duì)數(shù)式增大,其機(jī)理主要為內(nèi)部礦物遇水膨脹和裂隙吸附水分產(chǎn)生的楔裂壓力。同時(shí)水化學(xué)作用、水動(dòng)力作用以及水壓力對(duì)巖體的劣化也有一定的影響,推測(cè)消落帶巖體的發(fā)育趨勢(shì)要大于室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(3) 統(tǒng)計(jì)分析三峽庫(kù)區(qū)自蓄水運(yùn)行以來(lái),神農(nóng)溪范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育情況及規(guī)律。推測(cè)消落帶巖體劣化的發(fā)育對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響權(quán)重逐步加大。

(4) 區(qū)域內(nèi)消落帶巖體劣化誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)模式主要為滑坡和崩塌?；鲁蔀?zāi)機(jī)理主要為前緣巖體力學(xué)強(qiáng)度的破壞和地形的改變形成臨空面誘發(fā)牽引式滑坡。崩塌的成災(zāi)機(jī)理主要為消落帶巖體的破壞,及不斷劣化誘發(fā)的滑移式、墜落式和傾倒式三種崩塌破壞模式。

(5) 通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)神農(nóng)溪范圍內(nèi)消落帶巖體劣化的研究,查明與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系,對(duì)進(jìn)一步了解三峽庫(kù)區(qū)同類地質(zhì)災(zāi)害提供了理論依據(jù)，為三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警及治理工作提供了一定的技術(shù)支撐。